RU225205U1 - Устройство для выращивания садовых растений - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области сельского хозяйства и направлена на повышение урожайности в климатических условиях «рискованного земледелия» при ограниченных возможностях выращивания растений в открытом грунте, а также облегчение труда обслуживающего персонала и снижение затрат на обслуживание. Предложено устройство для выращивания садовых растений по малообъемной технологии, содержащее многоярусное основание с горизонтально установленными на каждом ярусе несущими элементами с емкостями с почвой или субстратом с высаженными в нем растениями, системой полива, обеспечивающей их периодический полив и подкормку, и защищенное прозрачным защитным кожухом, отличающееся тем, что многоярусное основание представляет собой вращающуюся конструкцию барабанного типа, выполненную с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси посредством поворотного привода, содержащую установленный на оси вращения цилиндрический каркас с торцевыми радиальными элементами и продольными несущими элементами, на которых закреплены емкости с почвой или субстратом с возможностью сохранения горизонтального положения при вращении, причем ось вращения, продольные несущие элементы и радиальные элементы выполнены полыми и служат трубопроводами системы полива, а прозрачный защитный кожух снабжен сервисными окнами, выполненными с возможностью их открытия для обеспечения последовательного доступа оператора для обслуживания растений. Технический результат - снижение нагрузки на обслуживающий персонал за счет сокращения сервисных работ при одновременном обеспечении оптимальных и одинаковых условий развития для всех растений, размещенных внутри теплицы, и повышение энергоэффективности системы.

Description

Полезная модель относится к области сельского хозяйства и направлено на повышение урожайности в климатических условиях «рискованного земледелия» при ограниченных возможностях выращивания растений в открытом грунте, а также облегчение труда обслуживающего персонала и снижение затрат на обслуживание.

Из уровня техники известно множество устройств и способов повышения урожайности сельскохозяйственных плодово-ягодных культур, например, клубники.

В частности, известно устройство для выращивания растений роторно-планетарного типа (RU173220 U1, опубл. 16.08.2017) содержащее ряд емкостей с грунтом, расположенных на стяжках между стойками устройства, при этом стойки установлены на центральной оси с возможностью вращения вокруг нее; кроме того, емкости также вращаются вокруг своих осей подвеса и по концентрическим окружностям вокруг центральной оси; центральная ось расположена между двух боковых стенок, размещенных на подвижной платформе. Недостатком этой конструкции является то, что она вмещает только небольшое количество емкостей с грунтом для растений и, соответственно, для получения значительного урожая необходимо использование нескольких таких устройств.

Известно устройство «Omega-Garden» (https://omegagarden.com/;

https://www.grossmannplanung.de/Seiten/projekte/Dufttunnel/?group=projects),

представляющее собой систему на основе гидропоники, в которой растения размещаются по боковой поверхности несущего цилиндра и вращающегося вокруг горизонтальной оси. Вдоль этой оси размещен источник искусственного света, растения вращаются вокруг него, причем направление их роста – всегда в сторону этого источника. Погружение корней в питательный раствор происходит периодически по мере вращения цилиндра, при прохождении растениями нижней точки, а суточный цикл обеспечивается автоматической системой управления светом. Система предназначена для закрытых помещений.

Недостатком данной системы является возможность ее использования только в закрытых помещениях и, в основном, для растений, у которых в пищу используется зеленая масса (салаты, грибы и т.п.). Применение ее для выращивания крупных ягод (например, клубники) невозможно, т.к. в процессе вращения несущего цилиндра растения переворачиваются корнями вверх, что приведет к неизбежному повреждению ягод и плодоножек, особенно на этапе созревания.

Наиболее близким аналогом предлагаемого решения является конструкция теплицы для так называемого малообъемного выращивания (например, клубники), https://vashnil.ru/o-nas/blog/teplicy/maloobemnaa-tehnologia?ysclid=lp15jz14wf333729223.

В данной конструкции емкости с плодородной почвой либо субстратом размещаются на многоярусных стеллажах, причем нижний ярус (в случае использования гидропонной технологии) располагается на высоте порядка 30-50см над полом, а верхний – на уровне среднего роста человека (порядка 1.8м). Такое размещении растений обеспечивает более полное заполнение защищенного от непогоды внутреннего объема теплицы, однако вместе с тем, имеет и серьезные недостатки. Растения, находящиеся на разных ярусах, находятся в неодинаковых условиях: неравномерное по высоте температурное поле, низкая освещенность растений на нижних ярусах, градиент концентрации углекислого газа и влажности – все это приводит к снижению урожайности и увеличению объема сервисных работ. Кроме того, для обслуживания растений между стеллажами предусмотрены проходы для обслуживающего персонала, а высота теплицы выбрана из условия комфортного перемещения человека внутри защищенного объема, что неизбежно увеличивает объем теплицы, а следовательно, и площадь поверхности ее прозрачного кожуха. Это приводит к дополнительным потерям энергии на излучение и осложняет тем самым поддержание комфортных условий роста растений в ночное время и в прохладном климате.

Кроме того, выращивание (в частности, клубники) в закрытом, защищенном от внешних воздействий объеме требует принятия специальных мер для опыления растений. Обычно это задача решается помещением в крупных теплицах пчелиной семьи или шмелей, либо осуществляется ручным опылением кисточкой, либо вынужденным раскрытием теплицы для свободного доступа насекомых извне.

Технической проблемой, которую решает предложенная полезная модель, являются неоптимальные условия роста и развития значительной части растений в защищенном объеме теплицы, значительный объем работ по их обслуживанию, а также некомфортное, вызывающее преждевременную усталость положение тела оператора в процессе обслуживания.

Технический результат – снижение нагрузки на обслуживающий персонал за счет сокращения сервисных работ при одновременном обеспечении оптимальных и одинаковых условий развития для всех растений, размещенных внутри теплицы и повышение энергоэффективности системы.

Для решения указанной технической проблемы предложено устройство для выращивания садовых растений по малообъемной технологии, содержащее многоярусное основание с горизонтально установленными на каждом ярусе несущими элементами с емкостями с почвой или субстратом с высаженными в нем растениями, системой полива, обеспечивающей их периодический полив и подкормку, и защищенное прозрачным защитным кожухом, в котором в отличие от известных решений многоярусное основание представляет собой вращающуюся конструкцию барабанного типа, выполненную с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси посредством поворотного привода, содержащую установленный на оси вращения цилиндрический каркас с торцевыми радиальными элементами и продольными несущими элементами, на которых закреплены емкости с почвой или субстратом с возможностью сохранения горизонтального положения при вращении, причем ось вращения, продольные несущие элементы и радиальные элементы выполнены полыми и служат трубопроводами системы полива, а прозрачный защитный кожух снабжен сервисными окнами, выполненными с возможностью их открытия для обеспечения последовательного доступа оператора для обслуживания растений. Внутренняя поверхность нижней части защитного кожуха может иметь зеркальное покрытие.

Система полива может иметь по меньшей мере одну стационарную накопительную емкость для хранения воды для полива, размещенную в центральной части цилиндрического каркаса, выполненную с возможностью её пополнения от внешнего источника воды через полую ось вращения цилиндрического каркаса.

Корпус стационарной накопительной емкости может быть выполнен прозрачным, образуя тепловой аккумулятор. Боковая поверхность несущих элементов предпочтительно снабжена отверстиями для полива и подкормки растений.

Устройство может также содержать контроллер, выполненный с возможностью управления поворотным приводом вращающейся конструкции, её остановки и фиксации в положении, при котором подлежащее обслуживанию растение размещается напротив сервисного окна. Контроллер также может быть использован для управления периодичностью полива.

Устройство может содержать по меньшей мере одну камеру видеонаблюдения, выполненную с возможностью автоматического анализа степени зрелости плодов по их изображению, причем поле зрения камеры настроено таким образом, что в процессе вращения в него по очереди попадают все растения, размещенные на несущей конструкции.

Устройство может содержать средства удаленного доступа, обеспечивающие получение оперативной информации о состоянии устройства и растений, а также управление вращением и поливом.

Заявленная конструкция показана на Фиг. 1-4, где

на Фиг. 1 представлен схематический общий вид устройства,

на Фиг. 2 представлен общий вид защитного кожуха устройства,

на Фиг. 3 представлен вид сбоку защитного кожуха,

на Фиг. 4 представлен схематический общий вид многоярусного основания.

Устройство для выращивания садовых растений по малообъемной технологии, представленное на Фиг. 1, содержит многоярусное основание 1 в виде вращающейся конструкции барабанного типа с горизонтально установленными на каждом ярусе несущими элементами 2 с емкостями 3 с почвой или субстратом с высаженными в нем растениями, обеспеченными стационарной капельной системой полива, и защищенное прозрачным защитным кожухом 4. Устройство снабжено поворотным приводом (не показан), посредством которого осуществляется вращение многоярусного основания 1 барабанного типа вокруг горизонтальной оси 5, емкости 3 с почвой закреплены на горизонтальных несущих элементах 2 с возможностью сохранения горизонтального положения при вращении, а прозрачный защитный кожух 4 снабжен сервисными окнами 6 (см. Фиг. 2, 3), выполненными с возможностью их открытия для обеспечения последовательного доступа оператора для обслуживания растений.

Внутренняя поверхность нижней части защитного кожуха 4 может иметь зеркальное покрытие. Несущие элементы 2 выполнены в виде полых труб, боковая поверхность которых снабжена отверстиями 7 для полива и подкормки растений.

Устройство имеет по меньшей мере одну стационарную накопительную емкость 8 для хранения воды для полива, размещенную в центральной части многоярусного основания 1, выполненную с возможностью ее пополнения от внешнего источника воды через полую ось 5 вращения. Корпус стационарной накопительной емкости 8 выполнен прозрачным, таким образом образуя тепловой аккумулятор. После его наполнения и прогрева солнцем в течение дня эта вода может быть использована для полива растений.

В одном из вариантов выполнения устройство может содержать контроллер (на Фиг. 1 не показан), выполненный с возможностью управления поворотным приводом многоярусного основания, его остановки и фиксации в положении, при котором подлежащее обслуживанию растение размещается напротив сервисного окна 6.

В одном из вариантов реализации устройство содержит по меньшей мере одну камеру видеонаблюдения, выполненную с возможностью автоматического анализа степени зрелости плодов по их изображению, причем поле зрения по меньшей мере одной камеры настроено таким образом, что в процессе вращения в него по очереди попадают все растения, размещенные на несущей конструкции, а также средства удаленного доступа, обеспечивающие получение оперативной информации о состоянии устройства и растений, а также управление вращением и поливом.

В предлагаемом решении проблема обеспечения оптимальных и одинаковых условий развития для всех растений, в частности неравномерности освещенности и градиента климатических условий по высоте теплицы решается за счет постоянного медленного вращения многоярусной конструкции вокруг горизонтальной оси продольных несущих элементов 2 с установленными на них емкостями 3 с растениями. Размеры несущих элементов 2 с растущими растениями и их взаимное расположение (см. Фиг. 1) выбраны таким образом, чтобы при перемещении цветущие растения неизбежно задевали соседние растения, обеспечивая тем самым их встряхивание и перекрестное опыление.

Серьезной проблемой при выращивании растений в закрытом грунте в теплице является их перегрев днем в летний период. Для предотвращения перегрева и стабилизации температуры внутри теплицы на оси многоярусной конструкции установлена по меньшей мере одна прозрачная накопительная емкость 8 с водой (см. Фиг. 1), которая одновременно является источником влаги для полива или питания растений. Пополнение водой этой накопительной емкости 8 осуществляется через полую ось 5 вращения, а полив происходит по команде контроллера. Наполнение накопительной емкости 8 водой происходит одновременно с процессом полива, обычно, в утренние часы, при котором теплая вода, уходящая к растениям из емкости, замещается прохладной водой из внешнего источника, и которая затем прогревается солнцем в течение дня.

Накопительная емкость 8 выполнена из прозрачного материала (пластика), в результате чего она не затеняет растения, обеспечивая примерно одинаковые условия освещения растений, находящихся в данный момент перед и за ней. Известно, что спектр поглощения электромагнитного солнечного излучения водой весьма неоднороден, в частности, почти полная прозрачность воды в видимом диапазоне сопровождается очень высоким (отличающимся в 10⁶ раз) поглощением электромагнитного излучения в инфракрасном (ИК) диапазоне. Поглощение ИК-излучения приводит к нагреву воды в течение дня и снижению тем самым тепловой нагрузки на растения в теплице. Вместе с тем, тепло, накопленное водой в течение дня, обеспечивает поддержание комфортной температуры внутри теплицы в ночное время, выполняя таким образом роль дополнительного термостабилизатора. Таким образом, прозрачная накопительная емкость 8 с водой выполняет роль теплового аккумулятора внутри теплицы, который с одной стороны способствует поддержанию комфортной температуры, а с другой - обеспечивает растения теплой водой для полива.

Доставка воды от накопительной емкости 8 непосредственно к растениям осуществляется через отверстия 7 в продольных несущих элементах 2. Эти отверстия 7 в продольных несущих элементах 2 располагаются напротив высаженных растений и обеспечивают свободную подачу воды самотеком к каждому из них без использования широко-известных систем капельного полива. В соответствии с агротехническими рекомендациями полив происходит малыми порциями в те периоды времени, когда очередной продольный несущий элемент 2 с растениями находится в нижнем положении (см. Фиг. 4).

Конструкция многоярусного основания 1 представлена на Фиг. 1 и 4. Многоярусное основание 1 в виде барабанной конструкции представляет собой два металлических обруча, образующих вместе с продольными несущими элементами 2 цилиндрический каркас. Цилиндрический каркас закреплен на горизонтальной оси 5 с помощью нескольких радиальных элементов 9 (спиц) и двух подшипниковых узлов. Горизонтальная ось 5 вращения с подшипниковыми узлами установлена на жесткие опоры 10 (жесткость обеспечивается треугольной формой опор), которые связаны в единую конструкцию общим основанием в виде установленной на земле горизонтальной рамы с дополнительными элементами жесткости. Продольные несущие элементы 2 представляют собой отрезки труб длиной около 2 м, закрепленные на концах радиальных элементов 9. На боковых стенках этих труб имеются отверстия 7, размещенные с заданным шагом, через которые к растениям поступает вода. На продольных несущих элементах 2 размещаются емкости 3 с почвой или субстратом и высаженными растениями, на горизонтальной оси 5 вращения установлена накопительная емкость 8 для воды, использующаяся одновременно и как тепловой аккумулятор, а вся конструкция помещена в прозрачный кожух 4(например, из сотового поликарбоната), имеющий открывающиеся сервисные окна 6. Вращение несущих элементов 2 цилиндрического каркаса обеспечивает последовательный полив всех растений по мере их перемещения. Периодическое по мере необходимости включение внешнего источника воды приводит тому, что теплая вода из накопительной емкости 8 постепенно вытекает к растениям и замещается в накопительной емкости 8 прохладной внешней водой.

Емкости 3 с почвой или субстратом закреплены на продольных несущих элементах 2, представляющих собой полые трубы, закрепленные на радиальных элементах 9 на торцах цилиндрического каркаса (см. Фиг. 1 и 4). В вариантах реализации эти емкости 3 могут представлять собой пластиковые мешки, применяемые для выращивания растений по малообъемной технологии, либо ящики с почвой, закрепленные на продольных несущих элементах (трубах), либо продольные пластиковые трубы длиной 2м большого диаметра (порядка 200-250 мм) с отверстиями под растения. Элементы крепления этих емкостей 3 с почвой к несущим элементам 2 выполнены с возможностью их свободного вращения так, чтобы растения, высаженные в емкости с почвой, всегда сохраняли вертикальное положение при вращении цилиндрического каркаса вокруг продольной оси 5, что достигается низким расположением центра тяжести емкости с почвой по отношению к оси, на которой она закреплена.

Для вращения цилиндрического каркаса с растениями используется электромотор-редуктор с приводом на один из обручей каркаса. Питание осуществляется от безопасного напряжения 12-24 В. В качестве механического привода использованы фрикционная, цепная или ременная передача, а блок управления мотором содержит элементы для включения/выключения, изменения скорости и направления вращения посредством пульта дистанционного управления. Опытным путем установлено, что оптимальным является режим вращения со скоростью около 1 об/мин с периодическими паузами 5-10 мин. Поддержание установленного режима вращения обеспечивается автоматически. Кроме того, электронный блок содержит реле времени для включения/выключения электромагнитного клапана подачи воды в систему полива. Электронный блок выполнен с возможностью подключения к сети Интернет и обеспечения удаленного контроля и управления. В варианте реализации в составе электронной аппаратуры может быть использована одна или несколько видеокамер, позволяющих удаленно контролировать состояние растений, последовательно попадающих в поле зрения при вращении.

В варианте реализации кожух 4 (Фиг. 2-3) может быть выполнен в виде прозрачного цилиндра (например, из сотового поликарбоната с металлическим каркасом), в котором на высоте порядка 1 м имеются открывающиеся окна 6 для доступа к растениям, выполненные с возможностью ручного и автоматического регулирования степени их открытия. Такая конструкция кожуха 4 позволяет оператору обслуживать растения сидя снаружи, что снижает его утомляемость. Ручной привод для открывания этих сервисных окон 6 используется для обслуживания растений, автоматический (с помощью термопривода) – для сброса избыточного тепла при перегреве. Наличие на кожухе 4 противоположных сервисных окон 6 обеспечивает свободный доступ ко всем растениям с двух сторон.

Уборка урожая является единственной задачей оператора, причем информацию об этом он получает от камеры видеонаблюдения. Камера автоматически просматривает все продвигающиеся мимо нее растения, и информирует оператора о наличии созревших ягод в ее поле зрения, считывает номер растения, а электромеханический привод перемещает растение к зоне обслуживания напротив окна доступа.

Одной из важных задач, решаемых в данной полезной модели, является повышение энергоэффективности системы, которая заключается в снижении энергозатрат на поддержание оптимальных климатических условий внутри теплицы при одновременном снижении потерь энергии. С этой целью уменьшен внутренний объем теплицы, который используется только для размещения растений и теплового аккумулятора. Тем самым сокращаются энергозатраты на поддержание заданной температуры внутри этого объема. Доступ оператора к растениям изнутри теплицы не предусмотрен. Обслуживание растений происходит извне через сервисные окна. Цилиндрическая форма кожуха при том же внутреннем объеме обеспечивает сокращение площади поверхности теплицы, что дополнительно снижает потери тепла на излучение. Сокращение энергии, необходимой для поддержания комфортной температуры внутри теплицы (в частности, ночью, в отсутствии солнечного тепла) обеспечено за счет уменьшения объема теплицы (размеры теплицы уменьшены до минимально необходимых для размещения барабанной конструкции с растениями и аккумулятора тепла), а следовательно, и за счет сокращения площади ее поверхности. Тепловые потери на излучение уменьшены также и за счет цилиндрической формы кожуха, обладающей при том же объеме меньшей площадью поверхности.

В другом варианте реализации качестве прозрачного кожуха 4 может быть использована широко известная конструкция теплицы «хлебница» (например, https://teplica-spb.ru/parniki/parnik-chlebnica), размеры которой должны быть скорректированы для размещения внутри вращающегося барабана с растениями. В варианте реализации диаметр барабана составляет порядка 100 см, длина – около 2 м. При таких размерах в ней размещается несколько десятков кустов клубники. Длина барабана (а следовательно, и кожуха) может быть увеличена до любых размеров, кратных 2 м (4, 6, 8 м и т.п.) для обеспечения механической прочности несущих элементов конструкции. Наличие открывающейся цилиндрической крыши в конструкции типа «хлебница» обеспечивает легкий доступ к обслуживаемым растениям и быструю в случае необходимости их защиту от непогоды.

Оптимальное развитие растений при вращении обеспечивает одинаковый температурный режим для всех растений. Зеркальный отражатель сокращает взаимное затенение растений улучшая условия освещения, а тепловой аккумулятор с водой сохраняет и поддерживает комфортную температуру. Улучшение условий развития и плодоношения растений, размещенных на такой вращающейся конструкции происходит из-за более равномерного распределения температурного поля внутри теплицы (связанного с постоянным перемешиванием воздуха за счет движения растений), и из-за более равномерной их освещенности за счет дополнительного светового экрана. Наличие в центральной части теплицы теплового аккумулятора приводит в ночное время к дополнительной циркуляции воздуха внутри теплицы, что в сочетании с вращением растений создает равномерное тепловое поле. Таким образом, постоянное перемещение растений по высоте создает для них в среднем более равномерные и стабильные условия развития. Кроме того, происходит увеличение урожайности при экономии площади (внутри теплицы размером, например, 2х1.7м может быть размещено до 80 кустов клубники). Появляется возможность обслуживания растений человеком в комфортном положении, стоя или сидя, без наклона, что снижает утомляемость, повышает производительность труда и увеличивает количество растений, обсуживаемых за рабочую смену.

Claims (8)

1. Устройство для выращивания садовых растений по малообъемной технологии, содержащее многоярусное основание с горизонтально установленными на каждом ярусе несущими элементами с емкостями с почвой с высаженными в нем растениями, системой полива, обеспечивающей их периодический полив и подкормку, и защищенное прозрачным защитным кожухом, отличающееся тем, что многоярусное основание представляет собой вращающуюся конструкцию барабанного типа, выполненную с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси посредством поворотного привода, содержащую установленный на оси вращения цилиндрический каркас с торцевыми радиальными элементами и продольными несущими элементами, на которых закреплены емкости с почвой с возможностью сохранения горизонтального положения при вращении, причем ось вращения, продольные несущие элементы и радиальные элементы выполнены полыми и служат трубопроводами системы полива, а прозрачный защитный кожух снабжен сервисными окнами, выполненными с возможностью их открытия для обеспечения последовательного доступа оператора для обслуживания растений.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что внутренняя поверхность нижней части защитного кожуха имеет зеркальное покрытие.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что система полива содержит по меньшей мере одну стационарную накопительную емкость для хранения воды для полива, размещенную в центральной части цилиндрического каркаса, выполненную с возможностью её пополнения от внешнего источника воды через полую ось вращения цилиндрического каркаса.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что корпус стационарной накопительной емкости выполнен прозрачным, образуя тепловой аккумулятор.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что боковая поверхность продольных несущих элементов снабжена отверстиями для полива и подкормки растений.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно содержит контроллер, выполненный с возможностью управления поворотным приводом многоярусного основания, его остановки и фиксации в положении, при котором подлежащее обслуживанию растение размещается напротив сервисного окна.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно содержит по меньшей мере одну камеру видеонаблюдения, выполненную с возможностью автоматического анализа степени зрелости плодов по их изображению, причем поле зрения камеры настроено таким образом, что в процессе вращения в него по очереди попадают все растения, размещенные на несущей конструкции.

8. Устройство по любому из пп.1-7, отличающееся тем, что оно содержит средства удаленного доступа, обеспечивающие получение оперативной информации о состоянии устройства и растений, а также управление вращением и поливом.